Guida Alla Progettazione Degli Impianti Fotovoltaici

Guida alla progettazione degli impianti fotovoltaici

Concetti preliminari

Un impianto fotovoltaico trasforma direttamente l’energia solare in energia elettrica.

Esso è composto essenzialmente da:

• moduli o pannelli fotovoltaici;

• inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in corrente

alternata ;

• quadri elettrici e cavi di collegamento.

I moduli sono costituiti da celle in materiale semiconduttore, il più utilizzato dei quali è il

silicio cristallino. Essi rappresentano la parte attiva del sistema perché convertono la

radiazione solare in energia elettrica.

Gli impianti fotovoltaici possono essere connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-

connected) o direttamente a utenze isolate (stand-alone), tipicamente per assicurare la

disponibilità di energia elettrica in zone isolate.

Gli impianti fotovoltaici, così come gli impianti solari termici utilizzano il sole come fonte

energetica, catturandone la radiazione attraverso superfici captanti: mentre i moduli

fotovoltaici trasformano direttamente la radiazione solare in energia elettrica, i pannelli


solari termici utilizzano l’energia termica del sole per riscaldare l’acqua da utilizzare per

uso igienico sanitario o per il riscaldamento degli ambienti.

I vantaggi degli impianti fotovoltaici possono riassumersi in:

• assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante;

• risparmio di combustibili fossili;

• affidabilità degli impianti poiché non esistono parti in movimento;

• costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo;

• modularità del sistema (per aumentare la potenza dell’impianto è sufficiente aumentare il

numero dei moduli).

E’ da tener presente che l’impianto fotovoltaico è caratterizzato da un elevato costo

iniziale (dovuto essenzialmente all’elevato costo dei moduli) e da una produzione

discontinua a causa della variabilità della fonte energetica (il sole).

La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori:

• radiazione solare incidente sul sito d’installazione;

• orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli;

• assenza/presenza di ombreggiamenti;

• prestazioni tecniche dei componenti dell’impianto (moduli, inverter ed altre

apparecchiature).

Prendendo come riferimento un impianto da 1 kW di potenza nominale, con orientamento

ed inclinazione ottimali ed assenza di ombreggiamento, non dotato di dispositivo di

“inseguimento” del sole, in Italia è possibile stimare le seguenti producibilità annue

massime:

• regioni settentrionali 1.000 – 1.100 kWh/anno;

• regioni centrali 1.200 – 1.300 kWh/anno;

• regioni meridionali 1.400 – 1.500 kWh/anno.

Si tenga conto che per impianti fotovoltaici tradizionali ed a moduli di silicio cristallino, è

possibile produrre in circa 10mq di pannelli 1kW di potenza nominali, intendendo per

potenza nominale (o di picco) la potenza elettrica dell'impianto determinata dalla somma

delle singole potenze nominali (o massime, o di picco, o di targa) di ciascun modulo

fotovoltaico facente parte del medesimo impianto, misurate alle condizioni standard

(temperatura pari a 25 °C e radiazione pari a 1.000 W/m²).

Lo schema di connessione dell’impianto alla rete è definito dal gestore di rete a cui

l’impianto deve essere connesso; è necessario pertanto fare riferimento alle norme

tecniche rese disponibili dal gestore di rete locale.


La progettazione dell’impianto

Il progetto di un sistema fotovoltaico raccoglie l’insieme delle elaborazioni tecniche

necessarie per passare dalla sua ideazione alla sua realizzazione esecutiva. In esso

confluiscono i dati e le informazioni che devono servire da premessa alle fasi di

dimensionamento e selezione dei componenti, di messa in opera, gestione e

manutenzione dell’impianto.

Si noti che la progettazione di un impianto fotovoltaico si distingue per molti fattori dalle

classiche progettazioni impiantistiche, innanzitutto a causa della variabilità della fonte

principale, cioè l’energia solare, la quale non può in nessun modo essere prevista con

precisione e senza applicare margini di tolleranza, ma anche per il fatto che i moduli

fotovoltaici svolgono oltre alla primaria funzione di “generazione”, anche quella di

“componenti edilizi architettonici”, per cui sono tenuti a soddisfare un duplice ordine di

esigenze, di tipo energetico e di tipo architettonico.

Inoltre, occorre ricordare come gli impianti fotovoltaici abbiano anche la funzione

integrativa rispetto ad altri sistemi di approvvigionamento energetico, cosicché la

definizione delle loro specifiche funzionali e prestazionali non risulta mai univoca,

dipendendo dell’interazione di differenti fattori economici e tecnici.

Le differenti fasi su cui devono essere articolate le operazioni di pianificazione per la

realizzazione di un impianto fotovoltaico sono appresso riportate:

• calcolo del fabbisogno dell’utenza da servire;

• determinazione della risorsa solare annua;

• dimensionamento e verifica del generatore;

• dimensionamento dei sistemi di accumulo;

• dimensionamento degli inverter;

• progetto degli altri elementi costituenti l’impianto e delle interazioni con altri impianti

Stima del fabbisogno dell’utenza

L’impianto fotovoltaico va sempre dimensionato in funzione della tipologia di utenza e dei

suo consumi.

A tal fine, diviene necessario determinare con precisione la natura e consistenza dei

fabbisogni da soddisfare con l’impianto fotovoltaico, oltre alla loro distribuzione

giornaliera ed anche annua.

Infatti, risulta particolarmente utile capire se può essere sfruttato un certo parallelismo

tra necessità di consumo e disponibilità di radiazione solare; in caso affermativo

l’efficienza del sistema migliora notevolmente, limitando le perdite di stoccaggio e di

distribuzione.


Sinteticamente, il consumo dell’utenza può essere espresso nella seguente forma:

∑ ⋅=i

iiPE τ

,essendo Pi e τi rispettivamente la potenza elettrica espressa in W e il tempo di

funzionamento annuo dell’i-esimo apparecchio.

Generalmente i dati che più interessano nella progettazione dell’impianto fotovoltaico

riguardano l’entità del carico complessivo nei giorni medi mensili (kWh/giorno) e su base

annua (kWh/anno).

Stima dell’energia producibile

L’energia annua producibile Epv dell’impianto fotovoltaico viene fornita dalla seguente

espressione analitica:

HAE pvpvpv ⋅⋅= η

essendo:

• ηpv l’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico;

• Apv l’area occupata dall’insieme dei moduli che compongono il generatore, espressa in m2;

• H l’irradiazione solare annua incidente sulla superficie dei moduli, espressa in kWh/m2.

La medesima relazione può essere scritta per un periodo temporale diverso dall’anno, ad

esempio per il singolo giorno, esprimendo Epv in kWh/giorno e H in kWh/(m2 x giorno).

La disponibilità di energia solare subisce notevoli variazioni giornaliere, mensili ed

annuali; a tale scopo è necessario ricorrere a dati climatici relativi alla località in cui è

situato l’impianto.

(variabilità annua dell’irraggiamento solare)


Inoltre, la quantità dell’energia prodotta varia con gli angoli di inclinazione e di

orientamento delle superfici captanti dei singoli moduli, oltre che da eventuali fenomeni

di ombreggiamento artificiale.

Si noti che, a sua vota, l’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico

ηpv dipende dall’efficienza della componentistica non fotovoltaica del sistema (cablaggi,

inverter, ecc), dei fenomeni di surriscaldamento dei pannelli, dalla riflessione parziale

della radiazione incidente, dall’efficienza di conversione, dalla formazione di depositi di

polveri sui pannelli ed, infine, dall’efficienza del singolo modulo ηmod.

Allo stato attuale, con le tecnologie dei moduli al silicio cristallino, si può supporre che

l’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico ηpv vari tra 0.09 e 0.11;

per cui è lecito scrivere:

HAE pvpv ⋅⋅= 10.0

Ciò significa che, nel caso di stime preliminari e non dettagliate, si può considerare che

l’intero sistema produca una quantità di energia elettrica pari al 10% della radiazione

solare intercettata dai suoi moduli.

Dimensionamento di un impianto fotovoltaico “stand alone”

Nel caso di impianti fotovoltaici isolati stand alone (in cui l’utenza fa dipendere il

proprio fabbisogno completamente o parzialmente dall’impianto stesso), il corretto

dimensionamento è particolarmente importante, in quanto da esso dipende in maniera

significativa il fabbisogno elettrico delle utenze servite. In tal caso, la determinazione

della taglia del sistema fotovoltaico viene effettuata analizzando il profilo del carico e la

specifiche di soleggiamento del sito in cui andranno collocati i pannelli.

(esempio schematico di impianto fotovoltaico “stand alone”)


Per tale tipologia di impianto conviene eseguire il dimensionamento in relazione a

situazioni sfavorevoli di irraggiamento (ad esempio in inverno prevedendo un certo

numero di giorni di nuvolosità); il generatore viene utilmente dimensionato in modo che

l’energia prodotta giornalmente e quella consumata al più si equivalgano, ed il sistema di

accumulo viene progettato in modo tale da garantire la fornitura di energia per un certo

numero di giorni, nell’ipotesi sfavorevole che i moduli per tale intervallo temporale non

riescano a produrre l’energia necessaria a compensare il consumo:

cpv EE ≥

essendo:

• Epv l’energia giornaliera media mensile prodotta dal generatore, espressa in kWh/giorno;

• Ec l’energia corrispondente richiesta dal carico, anch’essa espressa in kWh/giorno;

A sua volta, l’ energia corrispondente richiesta dal carico può esprimersi in funzione

dell’energia elettrica realmente consumata dall’utenza giornalmente e dei rendimenti

dell’impianto di accumulo:

rccb

uc

EE

ηηη ⋅⋅= )( uc EE >

essendo:

• ηb il rendimento di carica e scarica della batteria (circa 0.90);

• ηc il rendimento dei circuiti (circa 0.90);

• ηrc il rendimento del regolatore di carica (circa 0.85).

Per cui risulta approssimativamente:

uc EE ⋅= 45.1

,cioè il fabbisogno di energia elettrica da prevedere deve essere maggiorato di circa il

45% rispetto al consumo da parte dell’utenza.

Ragionando con l’irradiazione solare giornaliera media mensile incidente sul piano dei

moduli fotovoltaici nel mese caratterizzato dalla minor disponibilità di soleggiamento

(Hmin), ed uguagliando l’energia prodotta con quella richiesta, si ottiene che:

upv EHA ⋅=⋅⋅ 45.110.0 min

, dalla cui formula è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

minmin_

5.14H

EA u

pv⋅

=


Dimensionamento di un impianto fotovoltaico ad utilizzo diretto

Nel caso di impianti ad utilizzo diretto con il generatore fotovoltaico che alimenta

direttamente il carico, il dimensionamento dell’impianto avviene o in funzione della

potenza che è possibile installare o in funzione dell’energia che si desidera ottenere,

accettando la dipendenza dalle condizioni climatiche del sito oggetto dell’installazione.

(esempio schematico di impianto fotovoltaico a utilizzo diretto)

Valgono a tal proposito le stesse formule esposte per la tipologia di impianto stand alone,

ma in questo caso non essendoci parti di accumulo ma solo circuiti risulta:

uc EE ⋅= 10.1

Per cui, uguagliando l’energia prodotta con quella richiesta, si ottiene che:

upv EHA ⋅=⋅⋅ 10.110.0 min

, dalla cui formula è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

minmin_

11H

EA u

pv⋅

=

Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete

Nel caso di connessione alla rete del Gestore, l’impianto fotovoltaico non rappresenta più

l’unica fonte di approvvigionamento di energia per l’utenza, bensì un sistema integrativo

ed una fonte di guadagno


(esempio schematico di impianto fotovoltaico “grid connected”)

La “taglia” dell’impianto, in tal caso, può essere definita liberamente sulla base di

considerazioni economiche, energetiche ed ambientali, nonché in funzione delle tariffe

incentivanti e conto energia.

Il sistema “grid connected” rappresenta la soluzione indubbiamente migliore per il

fotovoltaico, in quanto viene caratterizzata da costi inferiori per l’assenza di sistemi di

accumulo e dalla massima flessibilità di impiego.

L’energia prodotta può essere utilizzata direttamente in loco oppure, se in eccesso

rispetto al fabbisogno del momento, immessa in rete; quando il sistema fotovoltaico non

supplisce interamente alle necessità o è inattivo (ore notturne), l’utenza preleva

normalmente elettricità dalla rete.

Dunque, si nota come i criteri di dimensionamento dell’impianto sono molto meno rigidi,

essendo condizionati più che dalla potenza nominale necessaria, dalla disponibilità

economica o dalla disponibilità di superficie di installazione dei pannelli e moduli

fotovoltaici.

Se la priorità del progetto è rappresentata dal “quanta” energia si vuol produrre, allora

l’incognita del problema è rappresentata dalla superficie necessaria per produrla:

minmin_

11H

EA u

pv⋅

=

Se, al contrario, prevalgono considerazioni economiche, si determina la taglia

dell’impianto valutando dai costi unitari a (€/kW) la potenza nominale che può essere

prodotta con l’investimento economico prefissato.

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